Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02498246 2005-02-21
La présente invention concerne le domaine des électrodes enrobées écologiques
de
type rutile, à fusion douce, à faible émission de fumées, à faible émission de
chrome
hexavalent (Cr~~) et à enrobage solide, c'est-à-dire peu ou pas friable,
destinées en particulier
au soudage des aciers inoxydables.
Les fumées émises lors des opérations de soudage, issues de processus
complexes
de vaporisation - condensation - oxydation ou vaporisation - oxydation -
condensation,
comptent parmi les nuisances associées au soudage à l'arc. De ce fait, les
fumées de
1 o soudage, dont la nature et la quantité constituent une préoccupation
grandissante dans les
ateliers de fabrication, imposent de recourir à des protections, tels des
extracteurs de fumées,
afin de préserver la santé des opérateurs et des membres du personnel
travaillant à
proximité.
D'un point de vue général, un acier inoxydable se définit comme un alliage de
fer
dont la teneur nominale en chrome est d'au moins 11% en poids. Son utilisation
se justifie
lorsqu'une bonne tenue à l'oxydation et à la corrosion est recherchée. Parmi
les aciers
inoxydables figurent plusieurs sous-catégories d'aciers, à savoir
- les aciers austénitiques, vraisemblablement les plus couramment usités et
souvent
cités sous l'appellation « série 300 » de par leur classement selon la
normalisation
2 o américaine, dont la composition est basée sur le système fer - chrome -
nickel, et dont le total
des teneurs en éléments Cr, Ni, Mn et Si excède 16% en poids dans l'alliage ;
et
- les aciers martensitiques ;
les aciers ferritiques ;
- les aciers duplex ;
2 5 - les alliages d'aciers à durcissement par précipitation ; et
- les super-alliages d'aciers.
De fait, la forte présence de (élément chrome dans les aciers inoxydables fait
que,
pendant leur soudage, les particules constitutives des fumées de soudage
contiennent une
forte teneur en composés porteurs de l'élément chrome, à savoir chrome
trivalent (Crin),
CA 02498246 2005-02-21
2
forme la moins toxique de l'élément chrome, et/ou chrome hexavalent (Cr~~),
forme connue
comme étant fortement toxique pour l'être humain puisque considéré comme
cancérogène.
Dans le cas du soudage des aciers inoxydables, l'élément chrome hexavalent
(Crv~),
issu des fumées de soudage et présent dans l'air respiré, est donc
particulièrement
réglementé, compte tenu de son caractère toxique potentiel.
Ainsi, sachant que les réglementations en vigueur dans la plupart des pays
indiquent
que la valeur moyenne d'exposition (VME) tolérée est de 5 mg/m3 d'air pour les
particules de
fumées "non nocives" et que celle de l'élément Cr~~ contenu dans les fumées
est égale à 0.05
mglm3, comme le rapporte Cunat P.J., Le chrome dans les fumées de soudage des
aciers
1 o inoxydables, Matériaux et Techniques, n° 1-2 2002, ia concentration
maximale tolérée du Crv~,
pour que celui-ci n'implique pas une réduction de la teneur maximale en fumées
dans Pair
respiré, doit être au maximum de 1 °~, c'est-à-dire (0.0515)x100. En
deçà de 1 %, le Crv~ n'est
donc pas le facteur limitant la quantité de fumées admissible dans Pair
respiré.
En comparaison, la VME du chrome trivalent (Crin) étant de 0.5 mg/m3, sa
concentration maximale admissible dans les fumées, pour ne pas engendrer une
réduction
des fumées admissible dans l'air respiré, est de 10%.
De là, dans les ateliers de soudage, afin de limiter la quantité de fumées et
la
proportion en Crv~ dans l'air respiré par les opérateurs en-dessous des
valeurs maximales
admissibles, la ventilation de l'atelier doit être très supérieure lors de
l'utilisation de produits
2 o de soudage traditionnels des aciers inoxydables à celle nécessaire lors de
l'emploi de
produits pour aciers classiques.
Moyennant des ajustements de formulation d'une électrode enrobée
traditionnelle, il
est possible de réduire les fumées de soudage à la source. Ces modifications
de formulation
constituent ainsi le moyen le plus efficace pour limiter les nuisances
engendrées dans
2 5 l'environnement du soudeur, avant même de recourir à des équipements
parfois lourds, tels
des extracteurs de fumées.
Ceci est d'autant plus vrai que le procédé de soudage à (électrode enrobée, de
par
sa facilité de mise en oeuvre, est très utilisé pour les soudures dans des
espaces confinés
dans certains ateliers ou chantiers, où il est parfois difficile de mettre en
place une aspiration
3 o des fumées véritablement efficace.
CA 02498246 2005-02-21
3
Le principe de génération du CrV~ dans les fumées est illustré par les
équations [1 ] et
[2] ci-dessous et réside dans la formation, lors du soudage, de certains
composés nocifs,
porteurs de l'élément Cr~~, tels que par exemple Na2Cr~~0a, K2Cr~~0a,
NaKs(Cr~~Oa)2, ou
K2NaCr~~Fs, à partir de la réaction des éléments sodium (Na) et potassium (K)
avec le chrome
(Cr) entrant dans la composition de l'électrode.
2.Na + Cr + 202 ~ Na2Cr~~0a [1]
2.K + Cr + 202 -~ K2Cr~~0a [2]
Afin de diminuer les teneurs en ces composés porteurs de I 'élément Cr~~ dans
les
fumées, le document de Kimura S., Kobayashi M., Godai T. and Mimato S.,
investigations on
1 o chromium in stainless steel welding fumes, Welding Journal, p.195s-203s,
Juillet 1979, a
proposé de supprimer, dans les formules d'enrobages d'électrodes, tous les
ingrédients
contenant les éléments Na et K, et à les substituer par des ingrédients
"équivalents" à base
de lithium (Li).
Ainsi, il est connu d'opérer soit une substitution des feldspaths de Na ou K,
tels que
KAlSisOa ou NaAISisOa. présents dans les formules traditionnelles non
écologiques
d'enrobages pour électrodes par des composés de type alumino-silicates à base
de Li aux
propriétés très proches tels que la pétalite LiAISiaO,o, le spodumène
LiAI(SiOs)2 ou
feucryptite LiAISiOa, soit un remplacement des silicates de Na et K habituels
par du silicate
de Li.
2 o Cependant, la mise en oeuvre de cette solution a toujours été difficile et
n'a jamais pu
être véritablement industrialisée car (utilisation d'un liant au lithium en
remplacement de
liants) au sodium et/ou potassium conduit à des électrodes à l'enrobage
fragile, voire très
friable, rendant les électrodes ainsi formulées inutilisables en milieu
industriel où les
électrodes sont couramment soumises à des chocs accidentels ou à des
manipulations peu
2 5 délicates conduisant à leur détérioration rapide lorsqu'elles ne sont pas
assez résistantes au
plan mécanique.
Par ailleurs, les composés à base de Na et K, qu'ils soient sous la forme de
poudres
et/ou de silicates liquides, sont classiquement utilisés d'une manière quasi-
systématique dans
les enrobages d'électrodes enrobées pour conférer aux produits leurs bonnes
3 o caractéristiques d'arc, notamment stabilité et dynamisme d'arc. C'est pour
cette raison que
CA 02498246 2005-02-21
4
les électrodes formulées à base de silicate de lithium uniquement, donc sans
Na et K,
présentent une soudabilité opératoire très inférieure à celle des électrodes
standard.
Le document tiré de l'expérience du groupe Boehler Thyssen Welding et publié
par
Spiegel-Ciobanu V.E., Entwicklung schadstoffarmer hoch legierter Cr Ni-
Schweisszusatze
Teil 1: Reduktion des Crv~-Gehalts im Schweissrauc'', Schweissen und
Schneiden, 55(4), pp.
198-200, Mai 2003, décrit la difficulté de produire de telles électrodes
inoxydables
écologiques dépourvues de Na et K, du fait en particulier de leur faible
résistance d'enrobage,
et confirme leur niveau de soudabilité opératoire significativement inférieure
à celle des
produits inoxydables standard.
1 o En définitive, bien que le principe de substitution des ingrédients
contenant les
éléments Na et K par des ingrédients "équivalents" à base de Li soit connu
depuis longtemps
pour l'abaissement du taux d'émission de fumées et de la quantité en Cr~~ dans
les fumées,
seul le document de Griffïths T, and Stevenson A.C., Development of stainless
steel welding
electrodes having a low level of toxic chromium in the fume, The 5~
International Symposium
of the Japan Welding Society, Advanced Technology in Welding, Materials
Processing and
Evaluation, SJWS-IV-3, Tokyo, Avril 1990, décrit la fabrication d'électrodes
inoxydables
formulées à partir de silicate et composés de Li exclusivement, et à
l'enrobage solide, à
basses émissions de fumées et de Cr~~, et aux propriétés opératoires dites
"satisfaisantes".
Toutefois, il s'avère en pratique que les propriétés opératoires de ces
électrodes se
2 o sont révélées être très inférieures à celles des électrodes de type rutile
dites "à fusion douce",
si bien que, depuis la publication de ce document, aucune électrode de ce type
n'est apparue
sur le marché des électrodes inoxydables.
Par ailleurs, les documents 0'Donnell D. and Bishel R., Stable low fume
stainless
steel welding electrode, Inco Alloys International Inc., 1991; US -A-
5,124,530 ; Koike
2 5 Hiroyuki, Cr-confained coated electrode, Nippon Steel Corp., 1989, et JP-A-
1249297
proposent, quant à eux, des électrodes inoxydables à émission de fumées
réduites
simplement, grâce à (utilisation de silicates mixtes à base de Na, K et Li.
Toutefois, l'utilisation de silicates mixtes à base de Na, K et Li ne permet
pas
d'abaisser suffisamment la teneur en Crin dans les fumées, du fait de la
présence d'éléments
CA 02498246 2005-02-21
Na et K conduisant à la formation inévitable de chrome hexavalent selon les
mécanismes des
formules (1) et (2) ci-avant.
Par ailleurs, plusieurs autres publications se sont intéressées aux émissions
de
fumées pendant le soudage et l'on peut citer, à titre indicatif, les documents
suivants
5 - Carter G., The effects of basic electrode coating formulation on fume
emission rate
and composition in manual metal arc welding of steel, Welding Institute
Members Report 319,
1986,
- Dennis J., French M., Hewitt P., Mortazavi S. and Redding A., Control and
Occupafional exposure to hexavalent chromium and ozone in tubular wire arc
welding
processes by replacement of potassium by lithium or by addition of zinc, Ann.
Occup. Hyg.,
Vo1.46, No.1, pp.33-42, 2002,
- Griffiths T., Development of stainless steel welding electrodes having a low
level of
toxic chromium in the fume, Strasbourg seminar on welding fume: effects,
control and
protection, Paper 6, Abington UK, The Welding Institute, 1991,
i 5 - C. Bonnet, P. Rouault, B.Leduey, F. Richard and E. Bauné, Amélioration
de
l'environnement du soudeur par le biais de la formulation des consommables de
soudage,
Conference Proceedings des 6emes Journées Nationales du Soudage, "Soudage et
Prospective Industrielle", Tours, France, 21-25 Octobre, 2002, et
- E. Bauné, B. Leduey, F. Richard and P. Rouault ; Le soudage des aciers
2 0 inoxydables à travers des exemples de l'évolution des consommables ef des
gaz,
Proceedings du CIMATS Colloque Industriel, Université Technique de Belfort
Montbéliard, 13
Décembre, 2002.
Au vu de l'état de la technique, le problème qui se pose est d'améliorer les
électrodes
enrobées destinées au soudage des aciers inoxydables de manière à
2 5 - pouvoir atteindre un taux d'émission de fumées réduit d'un facteur
allant jusqu'à 2,
voire au-delà, par rapport aux électrodes inoxydables traditionnelles
standard,
- pouvoir obtenir une proportion de Crv~ inférieure à 1% dans les fumées,
- avoir un enrobage solide et résistant, c'est-à-dire non friable, et
CA 02498246 2005-02-21
6
- pouvoir obtenir un niveau de soudabilité opératoire conforme aux exigences
requises pour ce type d'électrodes, notamment en ce qui concerne leurs
caractéristiques
d'arc, d'aspect de cordon et de détachement de laitier.
Autrement dit, le problème qui se pose est de proposer une gamme de
formulations
d'électrodes enrobées écologiques, à l'enrobage solide, de type rutile à
fusion douce,
destinées au soudage des aciers inoxydables, conduisant à un métal déposé
(après fusion)
dont la composition chimique est conforme aux normes relatives aux différentes
nuances
d'aciers inoxydables, en particulier aux normes EN 1600 et AWS A5.4.
La solution de l'invention est une électrode enrobée formée d'une âme centrale
1 o métallique au moins partiellement recouverte d'un enrobage solide formant
un revêtement sur
ladite âme, ledit enrobage contenant au moins un composé de lithium, de
préférence en
général un feldspath, et étant exempt de feldspath de sodium et de potassium,
caractérisée
en ce que l'enrobage comprend (le % en poids de chaque composé considéré étant
exprimé
par rapport au poids total d'enrobage de l'électrode)
- de 5 à 45% en poids d'au moins un alumino-silicate à base de lithium ou de
0.2 à 3
de lithium provenant d'au moins un alumino-silicate à base de lithium,
- au moins un agent de filage exempt de Na ou/et K,
- du silicate de lithium en tant que liant,
- environ 10 à 55% en poids d'un ou plusieurs éléments métalliques sous forme
de
2 o ferro-alliages ou d'éléments seuls,
- une proportion totale dans l'enrobage de Na et K comprise entre 0 et 0.50%
en
poids.
Dans le cadre de l'invention, par "exempt" d'un composé donné, on entend que
ledit
composé n'a pas été volontairement inclus dans l'enrobage et qu'idéalement,
ledit enrobage
2 5 n'en contient pas du tout. Toutefois, la présence éventuelle de ce composé
à l'état de traces
en tant qu'impuretés inévitables n'est pas à exclure bien que non souhaitée.
Des électrodes
dont l'enrobage contiendrait dès lors de telles traces de composé seraient
considérées
comme étant incluses dans le champ de protection conféré pour la présente
invention.
Selon le cas, l'électrode de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs
des
3 0 caractéristiques techniques suivantes
CA 02498246 2005-02-21
î
- la proportion totale dans l'enrobage de Na et K est inférieure à 0.50%.
- l'âme centrale métallique est en acier inoxydable ou en acier doux,.
- le diamètre de l'âme est compris entre 1.6 et 6 mm, de préférence compris
entre 2
et 4 mm.
- le (ou les) composé de lithium est choisi parmi les alumino-silicates à base
de Li.
Celui-ci (ou ceux-ci) a typiquement une formule générale chimique du type
Li,AI,(SiXOY).
- au moins un feldspath de lithium est choisi parmi le spodumène, la pétalite
et
l'eucryptite. De préférence, les constituants d'enrobage à base de lithium,
tels que
spodumène LiAI(SiOs)2, pétalite LiAISia0lo et eucryptite LiAISiOa, sont
présents dans
l'enrobage en une proportion de 5 à 45% en poids, de préférence de 12 à 40% en
poids dans
l'enrobage.
- le liant contenant du lithium est du silicate de lithium, de formule typique
(Li20)X.(Si02)y.(H20~. Lors de la préparation de !'enrobage, le silicate de
lithium est introduit
sous forme liquide dans une proportion supérieure à 105 g/kg de formule sèche,
de
préférence 120 à 2208 en poids des matières premières (poudres sèches
uniquement), de
préférence encore de 150 à 200g, soit, en poids des éléments suivants exprimés
par rapport
au poids total d'enrobage de l'électrode, plus de 10% de Si et plus de 1.3% de
Li, de
préférence de 11 à 21 % de Si et de 1.5 à 2.9% Li, de préférence encore de 14
à 19% de Si et
de 1.9 à 2.6% de Li.
2 0 - au moins un agent de filage est choisi dans le groupe formé par la
carboxyméthylcellulose (CMC), l'hydroxyéthylcellulose ou toute autre substance
organique ou
résine soluble dans l'eau, (alginate de calcium, les polymères d'origine
végétale, tels que la
gomme de guar, le talc (de formule typique 3Mg0.4Si02.H20), ou encore l'argile
(de formule
typique AI20s.2Si0z.2H20).
2 5 - l'enrobage comprend environ de 10 à 55% (si âme en acier) en poids de
(enrobage
d'un ou plusieurs éléments métalliques sous forme de ferro-alliages ou
d'éléments seuls, la
teneur en ce ou ces éléments métalliques étant équilibrée dans l'enrobage en
fonction du
type d'âme utilisé et de la nuance à souder (308L, 309L, 316L, 347L...selon la
dénomination
de la norme américaine AWS).
CA 02498246 2005-02-21
ô
- les éléments métalliques sont choisis parmi le manganèse, le nickel, le
chrome, le
molybdène, 1e fer, le silicium, l'aluminium, le niobium, le titane, le
tantale, le cuivre et leurs
mélanges ou ferro-alliages comprenant ces éléments.
- elle comporte de 120 à 220 g de silicate de lithium liquide/kg de formule
sèche, soit
de 11 à 21 % de Si et de 1.5 à 2.9% de Li par rapport au poids total
d'enrobage de l'électrode.
- l'enrobage contient, exprimé en % en poids dans l'enrobage, des composés
semant
à la constitution de l'enrobage dans les proportions suivantes : de 0.8 à
18.5% de AI20s, de
préférence de 2 à 16.5 % de AI20s (issu en particulier du ou des alumino-
silicates de Li, et
éventuellement d'autres poudres contenues dans la formule), de 5 à 40% de
Si02, de
1o préférence de 9 à 35% de SiOz, (issus du ou des silicates de Li et des
poudres d'enrobage
dont les alumino-silicates de Li), de 15 à 45% deTiOz, de préférence de 20 à
40% deTi02, de
2.8 à 8.5% de CaO, de préférence de 4 à 7.5% de CaO, de 0.5 à 5% de CaF2, de
préférence
de 1 à 4% de CaF2, et de 4 à 18% de carbonates, en particulier du CaCOs, de
préférence de
8 à 13% de carbonates.
- l'enrobage peut comporter, par ailleurs, au moins une poudre contenant un ou
plusieurs éléments choisis parmi S, Se, Te, Sb et Bi.
- l'enrobage peut comporter, exprimé en % en poids dans l'enrobage de 0.01 à
2% en
l'un ou plusieurs des éléments du groupe S, Bi, Te, Se et Sb, de préférence de
0.03 à 1.3%.
- l'enrobage peut contenir aussi, exprimé en % en poids dans l'enrobage,
d'autres
2 0 oxydes et fluorures, en une proportion de 0.5 à 10%, de préférence 3 à 7%.
- la répartition granulométrique du mélange sec (hors liant) est au minimum de
20%
au delà de 100,um, de préférence de 25 à 50%, et au maximum de 40% en deçà de
40,um,
de préférence de 5 à 30%.
- l'enrobage contient, exprimé en % en poids dans (enrobage, de 4 à 18% de
2 5 carbonates en poudre, en particulier du CaCOs, de préférence de 8 à 13% de
carbonates.
L'invention porte aussi sur un procédé de soudage à l'arc de l'acier
inoxydable, dans
lequel on utilise une électrode selon l'invention pour réaliser au moins un
joint de soudure sur
une ou plusieurs pièces à souder, ainsi que sur l'enrobage d'une telle
électrode. L'opération
de soudage à l'arc à l'électrode enrobée démarre lorsque l'opérateur initie
l'arc de soudage
3 0 en heurtant / frottant l'extrémité de son électrode sur la pièce,
lesquelles électrode et pièces
CA 02498246 2005-02-21
9
font partie intégrante de l'installation électrique, au même titre que le
générateur de soudage,
ceux-ci étant reliés les uns aux autres par l'ensemble des câbles de
l'installation et la prise de
masse. La chaleur intense ainsi produite provoque la fusion de l'extrémité de
l'électrode et du
métal de base à l'endroit de l'impact de l'arc ; le transfert de métal s'opère
alors au travers de
l'arc jusqu'à la pièce. Le métal est ainsi déposé sur la pièce au fur et à
mesure que l'électrode
se consume par fusion. L'opérateur doit alors veiller au maintien de l'arc en
maintenant
l'extrémité de l'électrode à une certaine hauteur de la pièce et en la
déplaçant à une vitesse
régulière le long de la pièce. Tandis que la soudure est déposée, une quantité
de chaleur
suffisante est maintenue pour fondre l'extrémité de l'électrode et la zone
sous-jacente à l'arc
sur la pièce à souder.
D'une manière générale, une électrode enrobée pour soudage à l'arc est une
baguette conductrice du courant électrique appelée âme entourée d'un
revêtement adhérent
communément appelé enrobage, à l'extrémité de laquelle jaillit l'arc de
soudage. L'énergie de
l'arc est ainsi utilisée comme moyen de chauffage des pièces à assembler.
L'invention porte, en outre, sur un enrobage pour électrode, caractérisé en ce
qu'il
comprend, le pourcentage (%) en poids de chaque composé étant exprimé par
rapport au
poids total d'enrobage de l'électrode
- de 5 à 45% en poids d'au moins un alumino-silicate à base de lithium ou de
0.2 à
3.0% de lithium issu de l'ensemble des éléments servant à la constitution de
l'enrobage sous
2 o forme poudres et liants, c'est-à-dire issu d'au moins un ou plusieurs
composés de lithium
sous forme de poudre et de silicate de lithium,
- au moins un agent de filage exempt de Na ou/et K,
- du silicate de lithium en tant que liant,
- environ 10 à 55% en poids d'un ou plusieurs éléments métalliques sous forme
de
2 5 ferro-alliages ou d'éléments seuls, et
- une proportion totale dans l'enrobage de Na et K comprise entre 0 et
0.50°!° en
poids.
Lors de la mise au point de l'électrode enrobée, Pâme métallique est
généralement
choisie, dans la mesure des possibilités, de telle sorte que sa composition
chimique
3 o corresponde à la nuance du métal de base à souder. Elle peut toutefois
être aussi en acier
CA 02498246 2005-02-21
doux, c'est-à-dire pratiquement sans élément d'alliage à l'exception d'une
faible teneur en
manganèse, les éléments d'alliages indispensables pour obtenir un dépôt de la
nuance
désirée étant alors apportés par l'enrobage ; on est alors en présence d'une
électrode dite
"synthétique". Quoi qu'il en soit, la teneur en éléments d'alliage de
l'enrobage n'est jamais
5 nulle car elfe permet d'améliorer les caractéristiques mécaniques de la
soudure et de
compenser les pertes dues à la volatilisation des éléments métalliques au
cours de la fusion
de l'électrode lorsque une âme alliée dont l'analyse est proche de celle du
métal à déposer
est utilisée, ou d'apporter les éléments d'alliage nécessaires pour
synthétiser ta composition
du métal à déposer lorsque l'on utilise une âme en acier doux.
1 o L'enrobage a une influence capitale sur les caractéristiques de soudage et
les
propriétés résultantes du métal déposé. Ses rôles majeurs sont à la fois
électrique,
mécanique, et métallurgique.
Les principales fonctions que doivent assurer les ingrédients entrant dans la
composition de l'enrobage sont multiples. La plupart des constituants peuvent
avoir plus
d'une fonction et la combinaison de plusieurs constituants selon des teneurs
précises peut
permettre la réalisation d'une fonction particulière.
Les différents constituants d'enrobage peuvent ainsi être classifiés selon
différentes
familles, à savoir les constituants sous forme de poudres et les constituants
sous forme
liquide .
2 o Les constituants sous forme de poudres sont notamment
- les agents de protection du métal déposé, c'est-à-dire les formeurs de gaz
protecteurs et les constituants de laitier. Les formeurs de gaz protecteurs
sont des poudres
minérales dont la décomposition permet un dégagement gazeux (C02, C0, HF, Hz,
Hz0 sous
forme vapeur, ...) et la protection contre l'air ambiant du métal en transit
dans l'arc de
2 5 soudage. Les constituants de laitier, quant à eux, sont des poudres
minérales dont la
transformation assure la formation du laitier qui enveloppe les gouttes de
métal en transit
dans l'arc et qui, en se solidifiant sur le cordon de soudure, assure sa
protection de
l'atmosphère extérieure ;
- les agents désoxydants, qui sont des poudres minérales permettant la
purification
3 o de la soudure par la formation puis ta décantation des oxydes et sulfures
formés ;
CA 02498246 2005-02-21
11
- les initiateurs et stabilisateurs d'arc, qui sont des matières minérales et
métalliques
qui participent à l'initiation et au maintien stable de l'arc de soudage entre
l'extrémité de
l'électrode et la pièce à souder ;
- les éléments d'alliage (également désoxydants ou agents réducteurs), qui
sont des
matières métalliques qui permettent de palier aux pertes par volatilisation
dans l'arc des
éléments constituants l'âme métallique et d'enrichir le cordon en éléments
métalliques ; ou de
synthétiser (analyse du métal à déposer lorsque l'on formule l'électrode à
partir d'une âme en
acier doux ;
- les agents régulateurs de la viscosité du laitier, qui sont des matières
métalliques et
1 o minérales permettant le contrôle de l'intervalle de fusion et du temps que
le laitier mettra pour
se figer au cours de son refroidissement. Notamment, les éléments reconnus
comme de
puissants tensio-actifs peuvent s'avérer très efficaces ;
- les agents régulateurs du rendement de l'électrode c'est à dire du rapport
entre la
masse de métal déposé à la masse d'âme fondue, qui sont des matières
métalliques
permettant (ajustement du taux de dépôt de (électrode ;
- les agents d'extrusion (ou filants), qui sont des matières organiques
permettant, en
combinaison avec les liants et les poudres utilisées, l'obtention d'une bonne
consistance de
pâte et l'acquisition par celle-ci de ses propriétés rhéologiques en vue de
son extrusion. Une
bonne consistance de la pâte permet souvent d'obtenir une bonne résistance
d'enrobage
2 o après cuisson.
Par ailleurs, les constituants sous forme liquide sont notamment les liants,
qui le plus
souvent sont des silicates liquides utilisés pour l'agglomération des poudres
sèches
constituant l'enrobage avant mise en forme de la pâte devant permettre
l'extrusion.
CA 02498246 2005-02-21
12
Le mode de préparation du mélange entrant dans la composition de l'enrobage en
vue de la fabrication d'une électrode enrobée s'effectue selon un mode
opératoire qui se
décompose de la façon suivante.
Les ingrédients sous forme sèche devant entrer dans la composition de
l'enrobage
sont tout d'abord pesés et mélangés afin d'obtenir un mélange homogène. Un (ou
des)
liants) est (sont) alors ajoutés) en vue du mouillage du mélange sec au sein
d'un malaxeur.
Après que les propriétés rhéologiques de la pâte d'enrobage aient été
appréciées,
celle-ci est mise en forme puis est effectuée l'extrusion concentrique de
l'enrobage au moyen
d'une presse à électrodes autour d'âmes métalliques préalablement coupées à la
longueur
requise.
La vérification du centrage de l'enrobage extrudé autour des âmes ou
concentricité
des électrodes s'ensuit alors-: un bon centrage est nécessaire à la qualité du
produit final. Les
extrémités des électrodes doivent alors ëtre préparées par brossage de
l'enrobage ;
l'extrémité d'amorçage des électrodes est quant à elle préparée le plus
souvent par
graphitage ou aluminisation en fonction de la nature du produit.
Finalement, après un pré-séchage en atmosphère ambiante, les électrodes sont
cuites en four. Cette cuisson peut s'opérer, par paliers ou non, jusqu'à une
température de
l'ordre de 350-500° C.
La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce aux explications
2 0 détaillées suivantes et aux figures annexées.
Faible émission de fumées et faible teneur en Crv~
Afin de diminuer considérablement les teneurs en composés porteurs de I
'élément
Crv~ dans les fumées, les moyens de formulation mis en oeuvre consistent à
adopter la
solution classique visant à supprimer dans les formulations, tous les
ingrédients contenant les
2 5 éléments alcalins Na et K et à leur substituer des ingrédients
'équivalents' à base de lithium
(Li).
Ainsi, on remplace les composés à base de Na et K (KAISisOe, NaAISisOe)
habituellement présents par des composés équivalents ou proches à base de Li,
tels que le
spodumène (LiAI(Si20s)), la pétalite (LiAISiaO,o) ou feucryptite (LiAISiOa)
par exemple.
CA 02498246 2005-02-21
13
Ces composés utilisés comme constituants d'enrobage ont comme principales
fonctions de contrôler la viscosité du laitier liquide, de participer à la
formation du laitier et
donc à la protection du métal déposé, et de participer à la stabilisation de
l'arc en cours de
soudage.
Le Tableau 1 suivant illustre, pour 2 électrodes (A et B) de type 316L, avec
âme
centrale de diamètre égal à 2.5 mm en acier inoxydable de type 304L, formulées
sur une
même base de formulation et à partir d'un même silicate de lithium introduit
sous forme
liquide en quantité fixe au mouillage, l'influence du choix du type de
feldspath sur la quantité
de chrome hexavalent dans les fumées de soudage générées avec ces électrodes.
L'électrode de formule A est formulée à partir d'un ensemble de poudres sèches
selon fart antérieur, alors que (électrode de formule B est constituée de
poudres sèches
selon l'invention, toutes deux fabriquées au moyen d'un silicate de lithium
selon l'invention.
Tableau 1
Formule A B
(selon art antrieur)(selon invention)
Elments
mtalliques
Matires premiresdivers 20.1%
(poudres + Oxydes,
liant) carbonates,
entrant dans fluorures 50.8%
la et
autres
filants
composition
de
(enrobage Feldspath de Spodumne
Na et K :
Type (=compos de
d'alumino-silicate Li) :
(% en poids 24.9% 24.9%
dans
l'enrobage)
SilicateSi02 3.62%
de
Li (partieLi20 0.52%
sche) Na20 0.06%
Total : 100%
Cr~~ rsultant 2.7 % 0.6
dans les
fumes
Taux d'mission 0.13 g/min 0.08 g/min
de fumes
CA 02498246 2005-02-21
14
Comme on le voit dans le Tableau 1, la Formule B selon l'invention, formulée à
partir
de spodumène en substitution de feldspaths de Na et K utilisés dans la Formule
A, engendre
une concentration en Cr~~ dans les fumées de 0.6% au lieu de 2.7%, c'est-à-
dire environ 4
fois inférieure.
De même, le taux d'émission de fumées de la Formule B selon l'invention est
fortement abaissé par rapport à celui de la Formule A.
Par ailleurs, dans le cadre de la présente invention, il a également été
nécessaire de
se préoccuper des agents d'extrusion ou filants (agents de filage) qui sont
utilisés pour la
formulation des électrodes enrobées. En général, ce sont des matières
organiques
1 o permettant, en combinaison avec les liants et les poudres utilisées,
l'obtention d'une bonne
consistance de pâte et l'acquisition par celle-ci de ses propriétés
rhéologiques en vue de son
extrusion autour de l'âme métallique de l'électrode.
De plus, une bonne consistance de la pâte permet d'obtenir une bonne
résistance
d'enrobage après cuisson. Par ailleurs, le choix des filants doit s'avérer
judicieux puisque le
séchage des électrodes conduit à leur décomposition en cendres au sein de
l'enrobage dont
le caractère hygroscopique est néfaste pour les électrodes.
Tout en prenant en compte cela, dans le cadre de la présente invention, il a
été opéré
une substitution de certains agents de filage constituant des enrobages
d'électrodes
classiques, qui contiennent traditionnellement des éléments Na ou K, par
d'autres composés
2 0 dépourvus de ces éléments. Ainsi, on préconise, dans le cadre de la
présente invention, de
proscrire totalement les agents de filage fréquemment utilisés, tels que les
alginates de Na ou
de K, et de les remplacer par d'autres agents de filage adaptés dans le cadre
de l'invention,
tels que la carboxyméthylcellulose (CMC), l'hydroxyéthylcellulose ou toute
autre substance
organique ou résine soluble dans l'eau, (alginate de calcium, tes polymères
d'origine
2 5 végétale, tels que la gomme de guar, le talc (de formule typique
3Mg0.4Si02.Hz0), ou encore
l'argile (de formule typique AI20s.2Si02.2N20).
Ceci est illustré par la différence entre les électrodes C conforme à
(invention à
(exception des filants qui contiennent du Na et K selon l'art antérieur et D
en tous points
conforme à l'invention. Le Tableau 2 montre l'influence du remplacement des
filants à base
3 o de Na et K (électrode de formule C) par des filants dépourvus de Na et K
(électrode de
CA 02498246 2005-02-21
formule D) sur la quantité en Cr~~ produite et te taux d'émission de fumées,
et ce pour des
électrodes de type fusion douce de même diamètre égal à 3.2 mm, fabriquées à
partir de
silicate de Li (sur la base de 3.62% de Si02 + 0.52% de Li20 + 0.06% de Na20
sous forme
sèche en poids dans l'enrobage), pour les deux nuances d'aciers inoxydables
308L et 316L.
5 Tableau 2
Cri rsultant Taux d'mission
dans les de fumes
fumes (%) (g/min)
C D C D
filants filants exemptsfilants filants exempts
Formule base de de Na et base de de Na et
Na et K K Na et K K
Nuance 308L0.8 0.7 0.13 0.11
Nuance 316L0.9 0.7 0.13 0.10
Comme on peut le voir, l'électrode D selon l'invention conduit à un taux
d'émission de
fumées inférieur de près de 20% à celui de l'électrode C, ainsi qu'à une
proportion en chrome
VI également diminuée de plus de 10% par rapport à l'électrode C.
1o Par ailleurs, le Tableau 3 précise, pour les combinaisons de filants
utilisées dans les
formules C et D du Tableau 2, les teneurs en éléments Ca, Na et K
correspondantes.
Tableau 3
Filants de la formule Filants de la formule
C D
Ca 0.018 % 0.020
Na 0.072 % 0.006
K 0.041 % 0.005
Les pourcentage
(%) sont
exprims
en %
en poids
dans
le constituant
considr.
Comme on peut le voir dans le Tableau 3, (électrode enrobée D conforme à
15 l'invention contient approximativement la même proportion de calcium que
l'électrode C mais,
par contre, contient environ 12 fois moins de Na et 8 fois moins de K.
La présence en éléments Na et K dans la combinaison de filants retenue pour la
formule D provient de traces résiduelles de ces éléments. Malgré les
précautions prises, la
formule D n'est donc pas totalement exempte des éléments Na et K qui s'y
retrouvent sous
2 0 forme d'impuretés inévitables mais non volontairement souhaitées.
CA 02498246 2005-02-21
16
En outre, pour réaliser des formulations des électrodes inoxydables
écologiques
conformes à l'invention, il est aussi indispensable de remplacer les liants à
base de Na etlou
K habituellement utilisés par du liant au Li pur.
Les liants sont généralement des silicates aqueux utilisés sous forme liquide
pour
l'agglomération des poudres sèches constituant l'enrobage avant mise en forme
de la pâte
devant permettre l'extrusion. La quantité de silicates utilisée doit être
telle qu'un film fin soit
établi entre les particules de poudres, le au les silicates agissant comme un
agent de pontage
entre les poudres.
L'essentiel de Peau contenue dans ces silicates est évacuée de l'enrobage,
lors du
i 0 cycle de cuisson final des électrodes, pour ne laisser alors dans I
'enrobage que la partie
sèche des silicates introduits, c'est-à-dire la partie alcaline composée des
éléments Na20,
K20 et Li20.
La quantité optimale de fiant à utiliser dépend principalement de sa
viscosité, du
couplage liant/filants retenu, ainsi que de la répartition granulométrique des
poudres utilisées
dans la formule.
Une des contraintes imposée pour ia fabrication des électrodes inoxydables
écologiques selon l'invention est d'utiliser du silicate de lithium, en
remplacement des silicates
de Na et/ou K traditionnels.
D'autre part, afin que la teneur en Cr~~ dans les fumées reste en deçà de
l'objectif de
2 0 1% fixé, la quantité de silicate de lithium ne doit pas excéder une
certaine quantité maximale
puisqu'au delà de cette quantité maximale admissible, I 'élément Crv~
redevient le facteur
limitant dans les fumées de soudage.
La Figure 1 montre l'existence d'une telle quantité maximale de silicate de
lithium
(Qr,~.) à ne pas excéder, pour les différentes bases de formules inoxydables
étudiées à
2 5 l'origine du développement des électrodes inoxydables écologiques, alors
que le Tableau 4
ci-après donne les compositions des enrobages des formules références
n°1 à 3 de la Figure
1. Plus précisément, les courbes de la Figure 1 ont été établies en effectuant
les substitutions
de formulation des 3 exemples décrits ci-avant, tout en faisant varier la
quantité de silicate de
Li utilisé. Pour la formule référence n°3, la plus prometteuse en
termes de réduction des
3 o fumées émises et performance opératoire (fusion douce, détachement de
laitier, aspect de
CA 02498246 2005-02-21
17
cordon) à l'origine du développement, QmeX. a été définie dans la plage allant
de 170 à 200 ml
de liant au Li sous forme liquide par kg de mélange sec, c'est-à-dire sous
forme sèche, dans
la plage de 3.4 à 4 % en poids dans l'enrobage pour Si02, de 0.4 à 0.6% pour
LizO et de 0.05
à 0.06% pour Na20.
Tableau 4
Formule rfrenceFormule rfrenceFormule rfrence
n1 n2 n3
Diamtre me mtallique 3.2 3.2 3.2
de
nuance 304L (en mm)
Diamtre enrobage (en 5.65 5.30 5.60
mm)
Matires premires (poudres
hors liants) entrant
dans la composition
de l'enrobage (~ en
poids dans
le mlange sec)
Total matires mtalliques22.3 27.0 22.6
(dont total Cr) (10.5) (12.0) (9.5)
Total filants 0.8 1.8 2.2
TiOz 34.9 29.0 31.0
CaC03 -10.4 -8.8 6.6
CaF2 3.9 3.2 2.8
(K20)x.(Na20)y.(AI203)Z.(Si02)k23.4 29.8 27.9
(type Feldspath ou
Mica)
(AI,Mg,Ca,Na).Si40,o.(OH)4.1 0 0
(type argile, bentonite)
Fe203 0 0 1.7
Carbonates et fluorures0 0 4.7
divers
Sulfates et oxydes 0.3 0.4 0.4
divers
Total 100% 100% 100%
Liants (quantit introduite
sous forme liquide
en g / kg mlange sec)
Liants "traditionnels"
base de Na I K correspondants
Si02 52 63 48
NazO 2.5 12 5
Kz0 22.5 19 17
H20 73-123 56-106 80-130
CA 02498246 2005-02-21
18
Liants "cologiques"
de substitution base
de Li correspondants
selon l'invention
(Li20)x.(Si02)y.(H20)z120-220
H20 0-80
Soit
Si02 25-46
Li20 3.5-6.5
NazO 0.3-0.6
Hz0 80-180
Le Tableau 5 illustre, pour 2 électrodes de nuance 316L de diamètre égal à 2.5
mm
formulées sur une même base de formulation et à partir de spodumène,
l'influence du choix
du type de silicate, c'est-à-dire de liant, sur la quantité de Crv~ dans les
fumées de soudage et
le taux d 'émission de fumées.
Tableau 5
Formule E F
Matires premiresElments
(poudres hors mtalliques 21%
liants) divers
entrant dans Oxydes, carbonates,
la
composition fluorures et 53%
de autres
l'enrobage filants
(% en
poids dans
le
mlange sec Type d'alumino-Spodumne = compos
base de Li
: 26%
silicate
Silicate (sous
forme liquide)
- quantit 180 g /kg 180 g/kg
- type silicate de silicate de
Li NaIK
Crv~ rsultant 0.6 % 3
dans les fumes
Taux d'mission 0.08 g/min 0.14 g/min
de fumes
' CA 02498246 2005-02-21
19
La Formule E conforme à l'invention, formulée à partir de silicate de Li en
substitution
de silicates de Na/K dans la Formule F selon l'art antérieur, donne lieu à une
concentration en
Crv~ dans les fumées de 0.6% au lieu de 3.0%., soit une réduction de 80%.
De méme, le taux d'émission de fumées de la Formule E est fortement abaissé de
près de 50% par rapport à celui de la Formule F.
Solidité d'enrobage des électrodes enrobées
La viscosité des silicates de lithium utilisés dans le cadre de l'invention
est
généralement très faible, c'est-à-dire typiquement de 15 à 50 centipoises
(cpo) à température
ambiante (20°C), donc bien inférieure à celles des silicates de Na
et/ou K traditionnels dont la
gamme de viscosité va typiquement de 150 à 600 cpo. La densité du silicate de
lithium
entrant dans le cadre de l'invention se situe autour de 1.2.
En conséquence, du fait de la forte fluidité et des propriétés rhéologiques
très
spécifiques du silicate de lithium préconisé dans le cadre de l'invention, des
difficultés
importantes interviennent à différentes étapes du processus de fabrication des
électrodes
inoxydables écologiques, notamment
- la faible viscosité du silicate de Li entraîne un manque de pouvoir collant
de celui-ci
et, par conséquent, conduit à des difficultés, d'une part, pour obtenir une
bonne plasticité de
la pâte servant à sa préparation, pendant les étapes de malaxagelmouillage et,
d'autre part,
de compactage et d'extrusion de la pâte et à sa mise en forme autour de Pâme
métallique de
2 0 l'électrode.
- la nature du silicate de Li engendre un phénomène de fragilisation de
l'enrobage qui
intervient lors du cycle de cuisson final des électrodes.
De là, sans précaution de formulation, les électrodes ainsi obtenues
présentent des
enrobages très fragiles et ne peuvent ainsi prétendre à être suffisamment
résistantes au plan
2 5 mécanique (chocs, chutes, frottements, pliage...) durant leur emballage,
leur transport, et leur
utilisation subséquente en environnement industriel.
Afin de pallier aux difficultés énoncées ci-dessus, il est nécessaire de non
seulement
judicieusement choisir les agents de filage (ex. CMC, gomme de guar,
alginates), en
particulier leur nature, quantité et combinaison, compatibles avec les
exigences nécessaires à
CA 02498246 2005-02-21
la formulation d'électrodes écologiques selon l'invention, mais aussi de
contrôler la répartition
granulométrique du mélange sec.
En respectant ces règles de formulation et en utilisant exclusivement le
silicate de
lithium comme liant, il est possible de fabriquer industriellement dans de
bonnes conditions,
5 des électrodes inoxydables écologiques de type fusion douce, à (enrobage
solide après leur
cuisson.
Afin d'estimer quantitativement la solidité d'enrobage des électrodes
fabriquées en
cours du développement, un test de chute a été pratiqué.
Ce test consiste à faire chuter successivement 10 électrodes issues d'une même
10 fabrication, d'une hauteur de 1 m sur une surface horizontale dure, par
exemple un sol
bétonné et d'exprimer la solidité de leurs enrobages en fraction en masse
d'enrobage perdue
après 1 chute, puis après 2 chutes.
Le résultat exprimé pour chaque série correspond à la moyenne calculée pour
les 10
électrodes de la série considérée.
15 La Figure 2 illustre ainsi une série de résultats obtenus à partir d'un
certain nombre
de tests de chute d'électrodes (diamètres de 2.5 mm et 3.2 mm) issues de
diverses
fabrications, pour lesquelles des variations ont été apportées aux paramètres
de formulation
énumérés ci-avant.
Ces résultats montrent que les paramètres décrits influencent considérablement
la
2 0 résistance d'enrobage des électrodes correspondantes.
D'autre part, une bonne maîtrise du silicate de lithium utilisé, ainsi que des
paramètres de fdrmulation/fabrication, ont permis d'atteindre des niveaux de
solidité
d'enrobage équivalents à ceux d'électrodes inoxydables standard non
écologiques, c'est-à-
dire environ moins de 7% d'enrobage perdu après une chute pour des électrodes
dont le
2 5 diamètre de l'âme est inférieur ou égal à 3.2mm, et environ moins de 15%
pour des
électrodes dont le diamètre de l'âme est supérieur à 3.2mm. II est également
important de
noter qu'en cours de soudage, aucun signe excessif ou anormal de fragilisation
de l'enrobage
ne se fait sentir sous l'effet de la chaleur de l'arc qui se propage le long
de l'électrode. Ainsi,
la fusion de l'enrobage en cours de soudage est conforme aux exigences
requises pour de
3 0 telles électrodes du type fusion douce.
CA 02498246 2005-02-21
21
Un autre test visant à juger de la résistance d'enrobage desdites électrodes
et
consistant à les plier autour d'une bouteille de gaz comprimé ayant un
diamètre de 230 mm, a
permis de confirmer la bonne solidité d'enrobage des électrodes écologiques
formulées à
partir de silicate de lithium selon la présente invention.
Par ailleurs, une autre série d'essais a consisté à fabriquer un certain
nombre
d'électrodes prototypes de type 316L en faisant varier la répartition
granulométrique du
mélange sec, tout en jouant sur le type de poudres de rutile (Ti02) et de
calcite (CaCOs)
utilisées, poudres non-métalliques majoritaires dans la constitution de
l'enrobage des
électrodes écologiques fusion douce.
1 o Des essais croisés ont été réalisés par l'utilisation des feldspath et
silicate à base de
Na/K utilisés pour 1a fabrication des électrodes inoxydables traditionnelles,
et du spodumène
et silicate de Li exempts de Na/K, ces derniers étant nécessaires à la
fabrication des
électrodes inoxydables écologiques de l'invention.
Pour ces essais, des filants exempts de Na/K ont été utilisés.
La répartition granulométrique de ces poudres est présentée dans le Tableau 6.
Tableau 6
Poudre
de
constitution
de
(enrobage
et
rpartition
granulomtrique
correspondante
Tamis (fraction
en
poids
% dans
les
diverses
poudres)
(Nm)
Rutile'fin'Rutile'gros'Galcite'fine'CalciteFelsdpathdeSpodumneEnsemble
'grosse'NaIK poudres
mtalliques
+
autres
oxides,
carbonates
et
fluorures
315 0 0 0 2 0 0 2
250 0 0 0 12 0 0 7
200 0 0 0 10 0 0 4
160 0 3 0 16 0 0 9
125 0 43 0 24 3 0 24
100 0 40 0 20 4 0 12
80 0 14 0 0 19 3 17
CA 02498246 2005-02-21
22
63 0 0 2 0 12 16 12
50 0 0 2 15 5 10 5
40 1 0 1 0 2 4 3
< ou 99 0 95 1 55 67 5
=
40
(fractions en poids °1° retenues sur tamis, obtenue par tamisage
de la poudre
considérée par ordre de tamis décroissants en taille)
Les données consignées dans les Tableaux 7a et 7b montrent l'importance de
considérer une bonne répartition du mélange sec pour l'obtention d'électrodes
à l'enrobage
solide en proposant chacun une matrice d'essais pour la mise en évidence de
l'influence de
la nature des poudres d'enrobage et silicate utilisés sur la solidité
d'enrobage des électrodes
et leur caractère écologique.
Tableau 7a
N formule 1 2 3 4 5 6 7 8
Matires premires (poudres
hors liants) entrant
dans la composition
de l'enrobage (% en
poids dans le mlange
sec)
Ensemble poudres mtalliques25 25 25 25 25 25 25 25
(Ni, Cr,
Mo...) + autres oxydes,
carbonates et
fluorures
Feldspath de Na / K 26 26 26 26 0 0 0 0
Spodumne 0 0 0 0 26 26 26 26
Rutile "fin" 37 37 0 0 37 37 0 0
Rutile "gros" 0 0 37 37 0 0 37 37
Calcite "grosse" 9 0 9 0 9 0 9 0
Calcite "fine" 0 9 0 9 0 9 0 9
Silicate de Na/K (g
sous forme liquide 180
I
kg de mlange sec)
Silicate de Li (g sous
forme liquide / kg 0
de mlange sec)
Caractéristiques résultantes des électrodes
Solidit d'enrobage 5.6 8.7 9.9 8.0 2.3 1.2 7.9 7.1
(1)
Conforme / Non conformeoui x x x oui oui x x
(2)
Caractre cologique x x x x x x x x
(3)
CA 02498246 2005-02-21
23
(1 ) : perte en poids au test de chute en % conformément au test décrit pour
les
résultats de la Figure 2.
(2) : pour évaluer la solidité des enrobages des électrodes, « x » signifie
que
l'enrobage est trop friable pour permettre l'emballage, le transport et
l'utilisation de l'électrode
en conditions industrielles ; « oui » signifie que la solidité d'enrobage des
électrodes
fabriquées est conforme et permet leur emballage, transport et utilisation
dans de bonnes
conditions.
(3) : « x » signifie non conforme et « oui » signifie conforme.
Tableau 7b
N formule 9 10 11 12 13 14 15 16
Matires premires (poudres
hors liants) entrant
dans la composition
de l'enrobage (% en
poids dans le mlange
sec)
Ensemble poudres mtalliques25 25 25 25 25 25 25 25
(Ni, Cr,
Mo...) + autres oxides,
carbonates et
fluorures
Feldspath de Na / K 26 26 26 26 0 0 0 0
Spodumne 0 0 0 0 26 26 26 26
Rutile "fin" 37 37 0 0 37 37 0 0
Rutile "gros" 0 0 37 37 0 0 37 37
Calcfte "grosse" 9 0 9 0 9 0 9 0
Calcite "fine" 0 9 0 9 0 9 0 9
Silicate de Na/K (g
sous forme liquide 0
kg de mlange sec)
Silicate de Li (g sous
forme liquide / kg 180
de mlange sec)
Caractéristiques résultantes des électrodes
Solidit d'enrobage 11.4 13.3 12.412.7 7.4 8.2 5.6 4.4
(1)
Conforme / Non conformex x x x x x oui oui
(2)
Caractre cologique x x x x oui oui oui oui
(3)
% t
(1 conformment pour
) au les
: test
verte dcri
en
poids
au
test
de
chute
en
résultats de la Figure 2..
CA 02498246 2005-02-21
24
(2~ : pour évaluer la solidité des enrobages des électrodes, « x » signifie
que
l'enrobage est trop friable pour permettre l'emballage, le transport et
l'utilisation de l'électrode
en conditions industrielles ; « oui » signifie que la solidité d'enrobage des
électrodes
fabriquées est conforme et permet leur emballage, transport et utilisation
dans de bonnes
conditions.
(3J : « x » signifie non conforme et « oui » signifie conforme.
II apparaît au vu de ces Tableaux 7a et 7b que l'utilisation
simultanée/conjointe des
ingrédients dits "écologiques", à savoir silicate de Li, spodumène, et filants
exempts de Na/K
rend la tâche encore plus délicate si l'on veut fabriquer des électrodes
inoxydables
1 o écologiques à l'enrobage résistant.
La formulation de produits inoxydables de type fusion douce à basses émissions
de
fumées exige de recourir à un certain nombre de poudres de nature spécifique,
selon des
teneurs précises.
L'obtention d'électrodes inoxydables de type fusion douce écologiques solides
est
alors conditionnée par l'utilisation d'une répartition granulométrique non
limitée aux faibles
tamis uniquement, lorsqu'on utilise exclusivement les ingrédients à base de
Li.
Ceci peut être obtenu par l'utilisation d'une poudre de rutile, composé en
quantité
majoritaire dans le flux d'enrobage, dont la répartition granulométrique se
situe
majoritairement au delà de 100 Nm.
2 o D'une manière générale, ceci est obtenu par l'utilisation conjointe d'une
part
importante du mélange dont la granulométrie moyenne est supérieure ou égale à
100 Nm,
avec une part secondaire de poudres fines, c'est-à-dire < 40Nm.
Performances opératoires des électrodes enrobées, en particulier fusion douce
et
détachement de laitier
2 5 La fusion traduit la manière dont fond l'électrode au cours du soudage.
Elle
caractérise le transfert des gouttes de métal et de l'enrobage fondu qui prend
place entre
l'électrode qui se consume et le bain de fusion sur la pièce à souder.
Une fusion qui s'effectue avec un transfert de gouttes majoritairement fines
est
qualifiée de fusion douce. Elle se caractérise dans ce cas par un souffle
régulier, de faible
CA 02498246 2005-02-21
intensité sonore, auquel se superpose un léger crépitement, et elle est signe
d'un confort
d'utilisation évident pour le soudeur.
Une fusion douce s'accompagne d'une très faible quantité de projections en
cours de
soudage. Celles ci sont très fines lorsqu'elles existent,. Les projections
représentent les
5 quantités de métal qui sont éjectées hors de l'arc en cours de soudage ou
qui résultent de
l'éclaboussement des gouttes de métal liquide dans le bain de fusion.
En soudage à plat, la suite de laitier est la ligne définissant la limite
entre le bain de
fusion, c'est-à-dire le métal liquide, à la pointe de l'électrode et le
laitier liquide surnageant en
surface.
10 Puisqu'elle définit la taille du bain de fusion, la forme et la stabilité
de la suite de laitier
conditionne la forme et la régularité du cordon sous-jacent et, en
particulier, la finesse et la
régularité des stries à la surface du cordon après solidification.
Pour une électrode de type "fusion douce", la suite de laitier est
généralement très
proche de la pointe de l'électrode derrière la base de l'arc.
15 La formulation d'une électrode de type fusion douce doit donc être telle
que la suite
de laitier apparaisse calme et stable car sinon, elle peut constituer une gène
pour le soudeur
et peut engendrer des défauts d'aspect de cordon (stries irrégulièrement
espacées, plus ou
moins marquées...), voire des inclusions de laitier dans le dépôt.
D'une manière générale, la formulation d'une électrode fusion douce doit
permettre
2 0 l'obtention d'une fusion et d'une suite de laitier stables.
Outre l'aspect opératoire en cours de soudage, une électrode inoxydable de
type
fusion douce se caractérise par
- en soudage en angle à plat, un aspect de cordon généralement plat, voire
concave,
- des stries fines et régulièrement espacées les unes des autres,
2 5 - un cordon stable et régulier,
- bien évidemment, un cordon exempts de défauts, tels que caniveaux,
adhérences
de laitier, fissures ou piqûres,
- un détachement de laitier aisé, voire auto-détachable sur toute sa longueur
ou sur
certaines parties.
CA 02498246 2005-02-21
26
Dans les formules de type rutile à fusion douce, des éléments tensio-actifs,
tels que
Sb, Bi, Se, Te, S doivent être judicieusement contrôlés dans les enrobages
pour obtenir un
bon détachement de laitier sans que les performances opératoires et/ou la
résistance de
l'enrobage du produit ne soient affectées.
Les Tableaux 8a et 8b montrent que (obtention d'une électrode inoxydable
écologique conforme à l'invention, de type à fusion douce et à enrobage
solide, est
conditionnée par l'utilisation d'un certain nombre de matières premières dont
les proportions
doivent être judicieusement contrôlées.
Plus précisément, dans les Tableaux 8a et 8b sont consignées des matrices
d'essais
lo de mise en évidence de l'influence de la nature des poudres d'enrobage
utilisées sur les
performances opératoires des électrodes et la solidité de leur enrobage.
Tableau 8a
N formule 1 2 3 4 5 6 7 8
Rutile 35.435.4 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4
Matires premiresDivers carbonates9.6 9.6 9.6 9.6 1.9 1.9 1.9 1.9
(poudres S issu de 0.7 0.7 0 0 0.7 0.7 0 0
+ liants) sulfates
entrant dansdivers
la
composition Quantit totale0.4 0 0.4 0 0.4 0 0.4 0
de en
(enrobage Sb, Bi, Se
(% en et Te
poids dans Silicate 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2
l'enrobage) de Li (partie
sche, c--d
SiQ2 +
Li20 + traces
dont
NazO)
Caractristiques
rsultantes
des lectrodes
Fusion douce oui oui oui oui oui oui oui oui
avec peu
projections
Fusion I x oui oui oui x x x x
suite stables
Dtachement oui oui oui x oui oui oui x
laitier
Aspect de x oui oui oui x x x x
cordon
Solidit d'enrobage x x oui oui x x oui oui
x » signifie non conforme et « oui » signifie conforme
CA 02498246 2005-02-21
27
Tableau 8b
N formule 9 10 11 12 13 14 15 16
Rutile 14,3 14.3 14.3 14,3 14,3 14.3 14.314.3
Matires premiresDivers carbonates9.6 9.6 9.6 9.6 1.9 1.9 1.9 1.9
(poudres + S issu de 0.7 0.7 0 0 0.7 0.7 0 0
liants) sulfates
entrant dans divers
la
composition Quantit 0,4 0 0.4 0 0.4 0 0.4 0
de totale
l'enrobage en
(% en Sb, Bi,
Se et Te
poids dans Silicate 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2 4.2
l'enrobage) de Li (partie
sche, c--d
Si02 +
Li20 + traces
dont
NazO)
Caractristiques
rsultantes
des lectrodes
Fusion douce x x x x x x x x
avec peu
projections
Fusion I suite x oui oui oui x x x x
stables
Dtachement oui oui oui x oui oui oui x
laitier
Aspect de x x x oui x x x oui
cordon
Solidit d'enrobage x x oui oui x x oui oui
x » signifie non conforme et « oui » signifie conforme
Caractéristigues du produit final
Le Tableau 9 ci-après résume l'ensemble des principes fondamentaux de
formulation/fabrication des électrodes inoxydables écologiques selon
l'invention qu'il est
nécessaire de respecter pour l'optimisation de leurs principales propriétés, à
savoir une
émissions de fumées réduites, une faible teneur en chrome hexavalent,
inférieure à 1% dans
les fumées, une fabrication possible, un enrobage solide, une bonne
soudabilité opératoire,
(c'est-à-dire fusion douce, arc stable, peu ou pas de projections), et un
cordon de soudage de
bel aspect, sain, propre, uniforme, brillant, et finement strié, avec bon
mouillage, comme
montré sur les photos des Figures 3 et 4, et un bon détachement de laitier,
comme montré en
Figure 3.
CA 02498246 2005-02-21
28
Tableau 9
Conditions ncessairesPrincipales
lors de proprits
des
lectrodes
la formulation
de l'lectrode
afin d'obtenir Taux NiveauFabricationBonne Bonne Elimination
de bonnes de
proprits de celle-cid'missionCr~~ possible rsistanceperformanceet nettoyage
faiblede de
de fumesdans l'lectrodel'enrobageopratoire du laitier
les de (*)
faible fumes l'lectrode faciles
Utilisation de X X
silicate de
lithium
Utilisation d'uneX X
quantit
maximale admissible
de
silicate de lithium
Utilisation d'agentsX X X X
d'extrusion
particuliers
Utilisation de X X
combinaisons
choisies d'agents
d'extrusion
particuliers
Distribution X X X X
granulomtrique
des poudres
Absence de sodiumX X
et de
potassium par
substitution
de
poudres (feldspath)
par
poudres similaires
base de Li
(spodumne, ptalite...)
Usage d'lments X X X X
tensio-actifs
appropris et
combinaison
(*) : c'est-a-dire tusion douce, arc stable, peu ou pas de projections, et
cordon de
soudage de bel aspect, sain, propre, uniforme, brillant, et finement strié,
avec bon mouillage.
Le Tableau 10 suivant montre, quant à lui, le caractère unique des électrodes
inoxydables écologiques de l'invention fabriquées au moyen de silicate de
lithium-et poudres
de substitution à base de Li par rapport aux électrodes inoxydables «
traditionnelles » non
écologiques formulées à partir de silicates de Na et/ou K et autres
ingrédients contenant les
éléments Na et K.
CA 02498246 2005-02-21
29
Les électrodes inoxydables écologiques de l'invention permettent de réduire de
25%
à 98% les émissions de fumées par rapport aux électrodes inoxydables standard
et
conduisent à une teneur en Cr~~ (exprimée en % dans les fumées) de 4 à 5 fois
inférieure à
celles des électrodes standard.
Seules les électrodes écologiques de l'invention engendrent une faible teneur
en
chrome hexavalent, qui est de surcroît inférieure à 1 %, ce qui implique que
le Cr~~ n'est plus
le facteur déterminant de la toxicité des fumées et dès lors la quantité en
Cr~~ émis (exprimée
en g/min) est de 5 à 9 fois inférieure à celles des électrodes inoxydables
standard.
Tableau 10
Taux d'missionTeneur en Cr~~Taux d'mission
de dans de
fumes (g/min) les fumes de Cr~~ dans les
soudage (%) fumes
de soudage (glmin)
Electrodes
traditionnelles
non
cologiques formules0.15 0.19 2.2 3.2 0.30 0.60
partir de Na
et K
Electrodes
cologiques formules0.10 0.11 0.5 0.6 0.05 0.07
partir de Li
1 o Les valeurs indiquées ci-dessus correspondent à des électrodes formulées
sur âme
de diamètre de 3.2 mm, nuance 316L.
La comparaison des analyses des fumées émises par ces différentes électrodes
illustre leur différence de formulation (voir Tableau 11 ).
CA 02498246 2005-02-21
30
Tableau 11
Analyse des
fumes (% en
poids par
rapport au
poids total
des fumes collectes)
K Na Li
Electrodes 24 38 % 1 7 % 0.1 0.4%
"traditionnelles"
non
cologiques formules
partir de Na
et K
Electrodes cologiques1 1.5 % 1 1.5 % 4 6
formules partir
de Li
Les valeurs indiquées ci-dessus correspondent à des électrodes de nuance 316L,
diamètres de 2.5 et 3.2 mm.
